程勉志，趙艷坤，閆超德，王石巖

1. 河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450003；

2. 鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001

0 引 言

公路是交通網(wǎng)絡的重要組成部分，為了保證公路工程項目的順利實施，有必要對公路工程的施工進度進行動態(tài)監(jiān)測[1]。公路工程通常具有施工場地呈帶狀分布、多點施工跨越空間很大、施工進度變化較快等特點。采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場拍照、人工視察、進度填報等方式，很難實現(xiàn)對公路工程進度實時動態(tài)監(jiān)測的目的。無人機低空航空攝影測量具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，在帶狀區(qū)域和飛行困難地區(qū)快速獲取高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，且獲取的影像數(shù)據(jù)中包含了豐富的光譜、紋理以及空間結(jié)構(gòu)特征，為公路工程進度的高效動態(tài)監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)保障[2-5]。空間轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀明了地表達不同類型的地表要素在一定時期內(nèi)空間格局轉(zhuǎn)移變化情況，尤其是在表達地表覆蓋類型的周期性結(jié)構(gòu)變化方面優(yōu)勢明顯，被廣泛應用于土地利用、植被覆蓋變化等研究[6-8]?？紤]到工程進度的變化本質(zhì)就是工程范圍內(nèi)地表覆蓋類型的變化與轉(zhuǎn)移，本文借助空間轉(zhuǎn)移矩陣量化分析工程地表覆蓋變化及轉(zhuǎn)移情況，提出一種基于工程地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的公路工程進度監(jiān)測方法，為公路工程進度動態(tài)監(jiān)測提供一種新思路。

1 監(jiān)測方法

1.1 監(jiān)測流程

通過對公路施工過程的分析，對不同階段的工程地表覆蓋類型進行分類。利用無人機低空攝影測量獲取影像，結(jié)合工程地表覆蓋類型的實際特征，從不同時期的無人機影像中分類提取監(jiān)測范圍內(nèi)的工程地表覆蓋并進行空間疊加，生成工程地表覆蓋變化圖斑數(shù)據(jù)和工程地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣?；谧兓瘓D斑數(shù)據(jù)提取公路工程進度變化區(qū)域范圍，基于工程地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣量化分析整段工程的施工進展情況，實現(xiàn)公路工程進度的動態(tài)監(jiān)測（圖1）。

圖1 公路工程監(jiān)測流程Fig.1 The workflow of highway engineering monitoring

1.2 數(shù)據(jù)預處理

對不同時期的無人機攝影測量數(shù)據(jù)進行處理，減少由于傳感器、拍攝時間、大氣輻射、天氣狀況等差異所造成的影響[3-4]。首先對獲取的無人機影像進行幾何校正，減小不同時期影像之間的幾何差異，提高影像配準精度；其次對不同時相影像進行輻射校正處理，考慮到公路工程進度監(jiān)測周期間隔短，以及輻射校正處理流程的便捷性、可操作性，本文采用相對輻射校正方法對影像進行處理；最后在上述處理結(jié)果的基礎(chǔ)上，對前后兩期的影像進行影像配準。

由于公路工程的監(jiān)測對象主要集中于道路規(guī)劃紅線范圍內(nèi)，一般呈帶狀區(qū)域分布。因此，針對公路工程進度監(jiān)測這一特定工作需求和應用場景，利用道路規(guī)劃紅線，從大幅影像提取公路工程監(jiān)測范圍，形成監(jiān)測影像。單獨提取的監(jiān)測影像相對于原始影像有以下兩點優(yōu)勢，一是數(shù)據(jù)量小，縮短數(shù)據(jù)處理時間，提高工作效率；二是降低了影像的復雜度，清除了大量與監(jiān)測對象無關(guān)的“噪聲”信息，有效降低監(jiān)測對象提取的工作量和復雜度。

1.3 工程地表覆蓋分類提取

1）工程地表覆蓋分類。根據(jù)現(xiàn)行的統(tǒng)一的《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標準和地表覆蓋類型劃分體系，結(jié)合公路施工不同階段的地表開挖、材料堆放、路面鋪裝、設施修建等實際情況，通過歸納總結(jié)，將工程地表覆蓋按施工前、施工中、竣工后3個階段劃分成原始植被、構(gòu)筑物、路基、祼土、鋪裝路面、橋梁等11類（表1）。

表1 工程地表覆蓋分類Tab.1 Classification of engineering land cover

施工前地表覆蓋類型包括原始植被、構(gòu)筑物、水體、人工地表4類，原始植被是指未被施工鏟除、破壞的樹木、草地、農(nóng)作物等，人工地表是指除去構(gòu)筑物之外的未被施工破壞的硬化路面、硬化場地、未硬化的圈圍場地等。施工中地表覆蓋類型包括路基、裸土、堆料3類，在該階段要注意路基和裸土的判別?？⒐ず蟮乇砀采w類型包括鋪裝路面、綠化帶、加固邊坡、橋梁3類，鋪裝路面是指在路基上或兩側(cè)綠化帶中鋪裝的瀝青、水泥、塑膠等路面。

2）工程地表覆蓋提取。按照表1中的工程地表覆蓋分類情況，根據(jù)不同覆蓋類型的幾何特征、復雜和判別難易度，采用不同的方式進行分類提取。

針對施工前的原始植被、構(gòu)筑物、水體、人工地表及竣工后的鋪裝路面、綠化帶、加固邊坡等7類地表覆蓋類型，由于幾何特征明顯，在影像上易判讀，采用遙感影像分類的思想進行提取，即根據(jù)覆蓋類型的幾何特征在無人機影像中分別選取樣本，依據(jù)分類樣本對影像進行分類，從中提取工程地表覆蓋的類型和范圍[9-10]。施工中的路基、祼土、堆料之間特征不明顯、易混淆，無法精準分類，竣工后的橋梁（尤其是梁式橋和拱式橋）與鋪裝路面無法直接通過分類樣本有效識別。針對這4類覆蓋類型，在初步分類的基礎(chǔ)上，輔以公路工程規(guī)劃矢量面和影像生產(chǎn)時同步生成的數(shù)字表面模型（DSM）綜合判讀進行提取。

通過不同時期工程地表覆蓋類型的分類提取，生成工程地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可直觀表達不同監(jiān)測時點的工程地表覆蓋類型的空間分布。

1.4 工程進度變化分析

對不同監(jiān)測時點的工程地表覆蓋數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，生成工程地表覆蓋變化圖斑數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)的屬性字段中記錄前一期的地表覆蓋類型、后一期的地表覆蓋類型以及面積。若前后兩期的地表覆蓋類型不一致，則說明圖斑區(qū)域內(nèi)發(fā)生了變化，即進行了工程施工，如前一期類型為原始植被、后一期類型為路基、鋪裝路面等，表明圖斑區(qū)域經(jīng)過施工變成了路基，完成了路面鋪裝；若前后兩期的地表覆蓋類型一致，則需要根據(jù)情況具體分析，如為施工前、施工中的覆蓋類型，表明部分工程近一段時間未進行施工，如為竣工后的覆蓋類型，說明部分工程已完工。

工程地表覆蓋變化圖斑數(shù)據(jù)能夠清晰表達具體圖斑區(qū)域內(nèi)的工程變化情況，卻無法整體表達工程在不同階段的施工進度變化。因此，本文對工程地表覆蓋變化圖斑數(shù)據(jù)進一步處理，生成工程地表覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣，通過轉(zhuǎn)移矩陣直觀明了地表達工程地表覆蓋類型的空間轉(zhuǎn)移情況，有利于進一步量化分析工程在不同階段的進度變化。工程地表覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學表達式如下：

式中，S為轉(zhuǎn)移面積；n為工程地表覆蓋類型數(shù)量；i、j分別為前后兩個監(jiān)測時點的工程地表覆蓋類型，i→j表示工程地表覆蓋類型的轉(zhuǎn)移方向。

2 實驗驗證

2.1 實驗場景介紹

省道S312是河南省建設黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展核心示范區(qū)內(nèi)的重要通道，工程整體呈東西走向，前期工程長373.83 km，配備人行道、非機動車道及兩側(cè)生態(tài)綠廊等慢行系統(tǒng)，涉及鄭州、開封、洛陽、三門峽等8個地市，采用多地市、多路段同時施工的模式進行建設。因工程建設時間緊迫，需加強工程進度的動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工程進度緩慢的路段，為領(lǐng)導現(xiàn)場督導、辦公提供科學決策依據(jù)，而常規(guī)方式無法滿足多路段、快速、動態(tài)的監(jiān)測要求。本文方法在省道S312工程進度監(jiān)測中應用取得了良好效果，在實踐中得到驗證。

2.2 數(shù)據(jù)獲取及預處理

在省道S312工程進度監(jiān)測過程中，為減小數(shù)據(jù)預處理的工作量，在監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取及生產(chǎn)階段，采用同一套無人機系統(tǒng)、正射影像生產(chǎn)軟件、像片控制點和生產(chǎn)流程，盡量消除不同時相影像間由于傳感器、處理流程的不同引起的幾何差異，便于對影像進行幾何配準處理，提高配準精度，防止大量出現(xiàn)偽變化區(qū)域，并對獲取的影像進行輻射校正處理。然后，利用工程規(guī)劃紅線對監(jiān)測影像進行處理，單獨提取的工程監(jiān)測范圍內(nèi)影像更加簡單，無關(guān)的噪聲信息少，有利于分類樣本的采集和分類工作。

2.3 工程地表覆蓋提取與進度變化分析結(jié)果

利用ENVI軟件選取原始植被、構(gòu)筑物、水體、人工地表、鋪裝路面、綠化帶、加固邊坡等地表覆蓋類型的影像分類樣本，通過IDL語言調(diào)用ENVI二次開發(fā)函數(shù)庫，制作自動化分類工具，對每期監(jiān)測影像進行快速分類。在分類結(jié)果基礎(chǔ)上，疊加工程規(guī)劃矢量面和DSM進行綜合分析，完成路基、祼土、堆料、橋梁4類地表覆蓋的識別和提取，生成工程地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 工程地表覆蓋提取結(jié)果Fig.2 Extraction results of engineering land cover

利用ArcGIS軟件在實驗區(qū)域隨機選取一定數(shù)量的精度評估點，分別在影像、工程地表覆蓋提取結(jié)果中獲取每一點位的真實地表覆蓋類型和分類提取的工程地表覆蓋類型，基于轉(zhuǎn)移矩陣，生成分類精度評價結(jié)果（表2），可以看到分類結(jié)果的總體精度為82.7%，Kappa系數(shù)達到0.8，分類結(jié)果與真實地表覆蓋類型高度一致，滿足工程監(jiān)測的精度要求。

表2 分類精度評價結(jié)果轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The transfer matrix of classification accuracy assessment result

對前后兩期的工程地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，生成工程地表覆蓋變化圖斑數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的屬性中記錄了變化前和變化后的地表覆蓋類型，詳細表達了每一個圖斑區(qū)域的工程變化情況及變化的面積（圖3）。為整體量化分析該段工程在不同階段的施工進度，利用Excel對數(shù)據(jù)的屬性表進行處理，生成工程地表覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

圖3 工程地表覆蓋變化圖斑屬性表Fig.3 Attribute of changed engineering land cover polygon

表3 工程地表覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 The transfer matrix of engineering land cover

由轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，2021年2月5日至3月15日，工程施工前的地表覆蓋類型僅有4703.76 m2轉(zhuǎn)向了施工中類型，占施工前類型總面積的1.69%，基本保持穩(wěn)定；施工中的堆料全部轉(zhuǎn)移成了裸土，路基有19 185.96 m2轉(zhuǎn)移成了鋪裝路面、12 930.89 m2轉(zhuǎn)移成了綠化帶，轉(zhuǎn)移占比達到99.76%，地表覆蓋類型變化大；竣工后的地表覆蓋類型未發(fā)生轉(zhuǎn)移，保持穩(wěn)定，表明該段工程的路面鋪裝及綠化隔離帶修建工作基本完成，工程即將完工。

3 結(jié) 論

針對公路工程多路段同時施工、施工面狹長帶狀分布、施工進度快等特點，根據(jù)公路施工中動態(tài)監(jiān)測和量化分析進度的需求，提出了一種基于工程地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的公路工程進度監(jiān)測方法。該方法將公路工程的3個階段對應的地表覆蓋劃分為11類，利用無人機影像分類提取公路工程地表覆蓋類型，通過計算工程地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的方法實現(xiàn)公路施工進度的量化分析，為公路工程進度的動態(tài)監(jiān)測提供了一種新的思路。在河南省省道S312工程進度監(jiān)測中對該方法進行了實驗測試，解決了施工路段多、監(jiān)測范圍廣、人工監(jiān)測不易到達現(xiàn)場等難題，為協(xié)調(diào)施工進度、發(fā)現(xiàn)進度緩慢標段以及現(xiàn)場督導等工作提供了技術(shù)支持，保障了省道S312工程的順利推進，也證明了本文方法的可行性與有效性。由于公路等級和施工環(huán)境差異性很大，下一步有必要針對不同類型的公路及施工環(huán)境特點，深入研究對應的監(jiān)測方法并進行工程應用驗證。